Joule_破30%效率纪录：创高效钙钛矿-晶硅叠层太阳能电池

摘要

钙钛矿-硅叠层太阳能电池是下一代光伏技术的有力竞争者，有望取代目前市场上占主导地位的单结硅电池。然而，为了证明在硅电池上添加钙钛矿电池的额外成本是合理的，这些器件首先应该表现出足够高的功率转换效率 (PCE)。瑞士洛桑联邦理工学院 (EPFL) 的 Christophe Ballif 教授团队在 Joule 期刊发表了最新研究成果，展示了两种关键技术的协同效应，将平面硅片钙钛矿-晶硅叠层太阳能电池的 PCE 提升至 30 ± 1%，并获得了 30.9% 的认证高效率。研究人员通过在钙钛矿前驱体油墨中添加五氟苄基膦酸 (pFBPA) 以及在钙钛矿薄膜和空穴传输层 (HTL) 之间引入二氧化硅 (SiO2) 纳米颗粒 (NPs) 中间层，成功地减少了界面缺陷和非辐射复合，显著提升了器件的效率和稳定性。

本研究推荐使用设备
SS-PST100R AM1.5G 可变标准光谱模拟光源高效率新型叠层太阳能电池精准效率测量
QE-R PV/太阳能电池量子效率测量系统

研究背景与核心概念

目前商用光伏技术主要集中在单结太阳能电池，其中晶体硅 (Si) 是主要的吸光材料选择。然而，单结晶硅电池的 PCE 存在物理极限，略高于 29%，这与目前晶硅电池 (27.1%) 相差不远。为了突破这个极限并降低太阳能发电成本，一种方法是使用具有更高带隙的额外吸光材料来减少热损失，更有效地利用太阳光谱。在硅上使用带隙约为 1.6 至 1.7 eV 的吸光材料 (晶硅的带隙为 1.1 eV)，理论上可以将 PCE 极限从约 29% 提高到 40% 以上。在这方面，具有可调带隙、制造成本相对较低和光电性能优异的钙钛矿吸光材料非常适合与晶硅结合使用。然而，为了证明在晶硅电池上添加钙钛矿电池的额外成本是合理的，叠层器件应同时表现出高 PCE 和良好的工作稳定性。

研究方法与主要发现

该研究提出了两种关键技术，它们具有协同效应，可以将钙钛矿-硅叠层太阳能电池 (在正面平面硅片上旋涂钙钛矿薄膜) 的 PCE 可靠地提高到 30 ± 1%。

l第一项技术是使用五氟苄基膦酸 (pFBPA) 作为钙钛矿 (Cs0.05[FA0.9MA0.1]0.95Pb[I0.8Br0.2]3) 前驱体油墨中的添加剂，以消除与铅相关的缺陷和钙钛矿/C60 界面附近的非辐射复合，从而提高器件的开路电压 (Voc) 和填充因子 (FF)，值得注意的是，无需额外的钝化层。

l第二项技术主要增强 FF，包括使用稀疏涂覆的二氧化硅 (SiO2) 纳米颗粒 (NPs) 作为钙钛矿和空穴传输层 (HTL) 之间的中间层，通过改善表面润湿性，实现高性能 [4-(3,6-二甲基-9H-咔唑-9-基)丁基]膦酸 (Me-4PACz) 的可重复使用，同时改善 pFBPA 导致的钙钛矿薄膜质量下降。

研究结果与讨论

3.1 pFBPA 增强顶电池性能

研究发现，pFBPA 可以有效地钝化钙钛矿/C60 界面处的缺陷，并抑制非辐射复合，从而提高器件的 Voc 和 FF。Fig. S1 和 Fig. S2 分别展示了在光照和黑暗条件下，添加 pFBPA 对单结钙钛矿太阳能电池性能的影响。可以看出，pFBPA 的添加可以显著提高器件的 Voc、FF 和 PCE，并且可以有效地抑制光照引起的性能衰减。

Fig. S3 展示了不同浓度的 pFBPA 对器件性能的影响。研究发现，当 pFBPA 浓度为 5 mM 时，器件的性能最佳。

3.2 SiO2 纳米颗粒提升薄膜质量

为了解决 pFBPA 导致的钙钛矿薄膜质量下降问题，该研究引入了 SiO2 纳米颗粒 (NPs) 作为钙钛矿和空穴传输层 (HTL) 之间的中间层。SiO2 NPs 具有良好的润湿性，可以改善钙钛矿薄膜的表面形貌，减少针孔和分流的形成。Fig. S9 展示了不同浓度的 SiO2 NPs 对基底表面形貌的影响，可以看出，SiO2 NPs 可以有效地提高基底表面的平整度。Fig. S10 展示了 SiO2 NPs 对 Me-4PACz 表面润湿性的影响，可以看出，SiO2 NPs 可以有效地改善 Me-4PACz 在钙钛矿表面的铺展性，形成更加均匀的薄膜。

Fig. S11 展示了不同浓度的 SiO2 NPs 对器件性能的影响。研究发现，当 SiO2 NPs 浓度为 0.2 wt% 时，器件的性能最佳。

3.3 协同效应助力高效叠层电池

将 pFBPA 和 SiO2 NPs 结合使用，可以充分发挥它们的协同效应，制备出高效稳定的钙钛矿-晶硅叠层太阳能电池。pFBPA 钝化钙钛矿/C60 界面缺陷，提高 Voc 和 FF，而 SiO2 NPs 改善薄膜质量，进一步提升 FF。最终，该研究实现了 30 ± 1% 的可重复 PCE，并获得了 30.9% 的认证高效率 (Fig. S21)。

结论与展望

该研究提出的协同基底和添加剂工程策略为制备高效稳定的钙钛矿-硅叠层太阳能电池提供了新思路，并为推动其产业化应用奠定了基础。未来，可以通过进一步优化材料和器件结构，以及结合其他界面工程策略，进一步提升叠层电池的效率和稳定性。

本文參數圖:

Fig. 3_ (F)展示两种太阳能电池材料——钙钛矿（Perovskite）和晶硅（Si）的外量子效率（EQE）与波长关系的图表。

·      钙钛矿的EQE曲线以蓝色表示，峰值接近80%，并在大约800nm的波长处开始下降。

·      晶硅的EQE曲线以红色表示，峰值略低于钙钛矿，且在大约1100nm的波长处迅速下降。

·      图中还标注了两种材料的电流密度，钙钛矿为20.52 mA/cm220.52 mA/cm2，晶硅为19.92 mA/cm219.92 mA/cm2。

此张图表可以用来比较不同材料在太阳能电池应用中的性能，特别是在不同波长下的光电转换效率。

Fig.S33_电流密度与电压特性以及串联器件性能参数的示例

装置在制造完成后（即初始阶段）和在充满氮气的手套箱中暗藏一年后测量的性能参数。

Fig.S35_图 3h 所示的串联设备电流密度与电压特性示例

在第三个周期的 12 小时内（即从第 24 小时到第 36 小时）跟踪 MPP 前后的电流密度与电压特性。

原文出处: JOULE 

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